Первые в мире светодиодные фонари из рисовой шелухи

При измельчении риса для отделения зерна от шелухи ежегодно во всем мире образуется около 100 миллионов тонн отходов рисовой шелухи. Ученые, занимающиеся поиском масштабируемого метода изготовления квантовых точек, разработали способ переработки рисовой шелухи для создания первого светодиода на основе кремниевых квантовых точек (КТ). Их новый метод превращает сельскохозяйственные отходы в современные светодиоды недорогим и экологически безопасным способом.

Исследовательская группа из Центра естественных наук фундаментальных исследований и разработок Университета Хиросимы опубликовала свои выводы 28 января 2022 года в журнале Американского химического общества ACS Sustainable Chemistry & Engineering .

«Поскольку типичные КТ часто включают в себя токсичные материалы, такие как кадмий, свинец или другие тяжелые металлы , при использовании наноматериалов часто учитываются экологические проблемы . Предлагаемый нами процесс и метод изготовления КТ сводят к минимуму эти проблемы», — сказал Кен-ичи Сайтоу, ведущий специалист. автор исследования и профессор химии Хиросимского университета.

С тех пор как пористый кремний (Si) был открыт в 1950-х годах, ученые исследовали его применение в литий-ионных батареях , люминесцентных материалах, биомедицинских датчиках и системах доставки лекарств. Нетоксичный и широко распространенный в природе кремний обладает фотолюминесцентными свойствами, обусловленными его микроскопическими (квантовыми) точечными структурами, которые служат полупроводниками.

Зная об экологических проблемах, связанных с нынешними квантовыми точками , исследователи решили найти новый метод изготовления квантовых точек, который оказывает положительное воздействие на окружающую среду. Отходы рисовой шелухи, как оказалось, являются отличным источником кремнезема высокой чистоты (SiO 2 ) и порошка кремния с добавленной стоимостью.

Команда использовала комбинацию измельчения, термической обработки и химического травления для обработки кремнезема рисовой шелухи: сначала они измельчили рисовую шелуху и извлекли порошок кремнезема (SiO 2 ) путем сжигания органических соединений измельченной рисовой шелухи. Во-вторых, они нагревали полученный порошок кремнезема в электрической печи, чтобы получить порошки кремния посредством реакции восстановления. В-третьих, продукт представлял собой очищенный порошок Si, размер которого был дополнительно уменьшен до 3 нанометров путем химического травления. Наконец, его поверхность была химически функционализирована для обеспечения высокой химической стабильности и высокой дисперсии в растворителе с использованием кристаллических частиц размером 3 нм для получения SiQD, которые люминесцируют в оранжево-красном диапазоне с высокой эффективностью люминесценции более 20%.

«Это первое исследование по разработке светодиода из отходов рисовой шелухи», — сказал Сайтоу, добавив, что нетоксичное качество кремния делает его привлекательной альтернативой современным полупроводниковым квантовым точкам, доступным сегодня.

«Настоящий метод становится благородным методом разработки экологически чистых светодиодов с квантовыми точками из натуральных продуктов », — сказал он.

Светодиоды были собраны в виде серии слоев материала. Подложка из оксида индия-олова (ITO) была анодом светодиода; это хороший проводник электричества, но при этом достаточно прозрачный для излучения света. На стекло ITO методом центрифугирования наносились дополнительные слои, в том числе слой SiQD. Материал был покрыт катодом из алюминиевой пленки.

Разработанный группой метод химического синтеза позволил им оценить оптические и оптоэлектрические свойства светоизлучающего диода SiQD, включая структуру, выход синтеза и свойства порошков SiO 2 и Si и SiQD.

«Синтезируя SiQD с высоким выходом из богатой шелухи и диспергируя их в органических растворителях , вполне возможно, что однажды эти процессы можно будет реализовать в больших масштабах, как и другие химические процессы с высоким выходом», — сказал Сайтоу.

Следующие шаги команды включают разработку более эффективной люминесценции в SiQD и светодиодах. Они также изучат возможность производства светодиодов SiQD, отличных от оранжево-красного цвета, которые они только что создали. Забегая вперед, ученые предполагают, что разработанный ими метод может быть применен к другим растениям, таким как сахарный тростник, бамбук, пшеница, ячмень или травы, которые содержат SiO 2 . Эти натуральные продукты и их отходы могут быть преобразованы в нетоксичные оптоэлектронные устройства. В конечном счете, ученые хотели бы увидеть коммерциализацию этого экологически чистого подхода к созданию люминесцентных устройств из отходов  шелухи.

Среди других членов исследовательской группы, также из Университета Хиросимы, Хонока Уэда, Сихо Терада и Тайсей Оно.

Предыдущий
Следующий
Корзина

Корзина пуста.